利用金屬原子的物質(zhì)的量守恒巧解“熱重曲線”許多物質(zhì)受熱時(shí)會(huì)發(fā)生脫水、氧化、分解等變化而出現(xiàn)質(zhì)量變化。熱 重法是在控制溫度的條件下,測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度變化關(guān)系的方法。 通過分析熱重曲線,我們可以知道在加熱時(shí)樣品及可能產(chǎn)生的中間產(chǎn)物 的組成、熱穩(wěn)定性、熱分解情況及生成產(chǎn)物等與質(zhì)量相聯(lián)系的信息,可 以利用物質(zhì)的“熱重曲線”來研究物質(zhì)的熱變化過程。解題時(shí)要巧設(shè) 氧化物的化學(xué)式,利用金屬原子的物質(zhì)的量守恒,建立反應(yīng)前后金屬原子 的物質(zhì)的量守恒等式,求解熱重曲線上任何一點(diǎn)對(duì)應(yīng)物質(zhì)的相對(duì)式量,進(jìn) 而推算該點(diǎn)對(duì)應(yīng)物質(zhì)的化學(xué)式和可能發(fā)生的反應(yīng)。該類試題,能綜合考 查學(xué)生分析圖像、獲取信息、處理數(shù)據(jù)以及文字表述等能力。解題要領(lǐng):
固體受熱失重一般先失結(jié)晶水,然后再失非金屬氧化物。1.先求出晶體的物質(zhì)的量(如果沒有給出晶體質(zhì)量可以設(shè)晶體的物質(zhì)的 量為1 ml);2.根據(jù)每步固體減少的質(zhì)量,計(jì)算出1 ml晶體減少的質(zhì)量,進(jìn)而推斷產(chǎn)物;3.晶體中金屬質(zhì)量不減少,仍在m剩余中;4.失重最后得到的一般為金屬氧化物,根據(jù)原子守恒,求出金屬原子和氧 原子的物質(zhì)的量之比,即可推求出失重后物質(zhì)的化學(xué)式。
例　在空氣中加熱C(OH)2,加熱過程中的失重曲線如圖所示。已知:失 重質(zhì)量分?jǐn)?shù)=?×100%。下列有關(guān)判斷正確的是?(　　)?A.C(OH)2的加熱失重過程均為分解反應(yīng)
B.X點(diǎn)是C(OH)2和C2O3的混合物C.Y點(diǎn)是C2O3的純凈物D.Z點(diǎn)是CO的純凈物
解析　C(OH)2受熱分解先失水,假設(shè)C(OH)2的物質(zhì)的量為1 ml,X點(diǎn)失 重質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.75%,則加熱后的殘留率為89.25%,則殘留的固體質(zhì)量為 93 g×89.25%≈83 g,根據(jù)C原子守恒,m(C)=59 g,殘留物質(zhì)中氧元素的質(zhì) 量m(O)=24 g,n(O)=1.5 ml,即為C2O3,開始階段發(fā)生氧化還原反應(yīng),有氧 氣參與反應(yīng),不是分解反應(yīng),A錯(cuò)誤;根據(jù)以上分析,X點(diǎn)為C2O3,B、C錯(cuò)誤; Z點(diǎn),殘留的固體質(zhì)量為93 g×(1-19.35%)=75 g,C原子守恒,則殘留物質(zhì)中 氧元素的質(zhì)量為m(O)=16 g,殘留物為CO,D正確。
題目?jī)r(jià)值　能識(shí)別失重曲線,能將失重曲線和化學(xué)反應(yīng)之間進(jìn)行關(guān)聯(lián),然 后運(yùn)用守恒原理,計(jì)算分析物質(zhì)在不同溫度下的分解產(chǎn)物,考查了學(xué)生證 據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。
無機(jī)化工流程題的解題策略無機(jī)化工流程題是高考的熱門和必考題型,以真實(shí)的工業(yè)生產(chǎn)為背景,以 中學(xué)化學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)、化工流程為載體,聯(lián)系化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本操作、化學(xué) 反應(yīng)原理和化學(xué)計(jì)算等知識(shí),綜合考查學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)及解決實(shí)際問題 的綜合分析運(yùn)用能力。
一、工業(yè)流程題的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.題頭:介紹該生產(chǎn)工藝的原材料、目的、原理。2.題干:用框圖形式將操作或物質(zhì)轉(zhuǎn)換或分離提純等主要生產(chǎn)工藝流程 表示出來。?
3.題尾:根據(jù)流程中涉及的化學(xué)知識(shí)設(shè)問,一般包含樣品的溶解,物質(zhì)的富 集原理與方法,副產(chǎn)物的成分,主要產(chǎn)品分離、提純的化學(xué)原理與操作方 法,產(chǎn)品成分確定、目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率、原料轉(zhuǎn)化率等。通常涉及氧化還 原反應(yīng)、離子反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡移動(dòng)原理、溶液的酸堿 性(或 pH)、溶度積、電化學(xué)原理應(yīng)用等問題。
二、解題策略(一)讀題 1.先粗讀,明確原料、雜質(zhì)、目標(biāo)產(chǎn)品;然后針對(duì)問題再精讀,根據(jù)題目去 分析具體細(xì)節(jié),研究某一步或某一種物質(zhì)?！　????2.讀流程圖的方法抓箭頭:①主線主產(chǎn)品;②支線副產(chǎn)品;③回頭循環(huán)品。3.思考要有方向——在化學(xué)基礎(chǔ)理論框架下,結(jié)合實(shí)際問題進(jìn)行思考。(二)熟悉常見工藝手段、操作的名稱和目的1.樣品的預(yù)處理 ①粉碎的目的:增大接觸面積,加快反應(yīng)速率或使反應(yīng)更完全。 ②煅燒的目的:a.使一些具有還原性的物質(zhì)被空氣中的氧氣氧化、分解;
b.改變礦樣的結(jié)構(gòu),使其在后面處理中更易溶解;c.除去有機(jī)物雜質(zhì)或者碳 雜質(zhì)。 ③溶解:a.酸浸,與酸反應(yīng),使可溶性金屬離子進(jìn)入溶液,通過過濾除去不溶 物;b.堿浸,與堿反應(yīng),使可溶性金屬離子進(jìn)入溶液,通過過濾除去不溶物;c. 水浸,使可溶性金屬離子進(jìn)入溶液,通過過濾除去不溶物。 2.反應(yīng)條件的控制(1)改變溫度①降低溫度:降低反應(yīng)速率,防止物質(zhì)高溫分解,減少(增加)固體物質(zhì)的溶 解量。②升高溫度:加快反應(yīng)速率,減少氣體的溶解量。③促進(jìn)或抑制平衡移動(dòng)。
④在某溫度下,催化劑的催化能力最強(qiáng)。(2)改變壓強(qiáng)①減壓蒸餾降低溫度防止物質(zhì)分解。②促進(jìn)或抑制平衡移動(dòng)。③真空防氧氣氧化。(3)調(diào)節(jié)溶液的pH①調(diào)節(jié)溶液的酸堿性使其中某些金屬離子形成氫氧化物沉淀。如已知下列物質(zhì)開始沉淀和沉淀完全時(shí)的pH如下表所示:
　　若要除去Mn2+溶液中含有的Fe2+,應(yīng)先用氧化劑把Fe2+氧化為Fe3+,再 調(diào)溶液的pH到3.7。②調(diào)節(jié)pH所需的物質(zhì)一般應(yīng)滿足兩點(diǎn)要求:一是能與H+反應(yīng),使溶液pH增 大;二是不引入新雜質(zhì)。例如:若要除去Cu2+溶液中混有的Fe3+,可加入CuO、Cu(OH)2、Cu2(OH)2 CO3等物質(zhì)來調(diào)節(jié)溶液的pH。3.物質(zhì)的分離和提純的方法及目的 ①結(jié)晶(重結(jié)晶):固體物質(zhì)從溶液中析出的過程。 ②過濾:固、液分離(主要儀器:漏斗、燒杯、玻璃棒)。③趁熱過濾:防止某物質(zhì)降溫時(shí)析出。④洗滌:通常有水洗、冰水洗滌、醇洗。
⑤蒸餾:液液分離。⑥蒸發(fā):利用加熱的方法,使溶液中溶劑不斷揮發(fā)而析出溶質(zhì)(晶體)的過 程。
例1????(2020山東,16,12分)用軟錳礦(主要成分為MnO2,含少量Fe3O4、Al2O 3)和BaS制備高純MnCO3的工藝流程如下:?　　已知:MnO2是一種兩性氧化物;25 ℃時(shí)相關(guān)物質(zhì)的Ksp見下表。
　　回答下列問題:(1)軟錳礦預(yù)先粉碎的目的是　　　　　　　　　　　　　　　　　???? ????,MnO2與BaS溶液反應(yīng)轉(zhuǎn)化為MnO的化學(xué)方程式為　　　　　　　???? 　　　　　　　　　　????。(2)保持BaS投料量不變,隨MnO2與BaS投料比增大,S的量達(dá)到最大值后無 明顯變化,而Ba(OH)2的量達(dá)到最大值后會(huì)減小,減小的原因是　　　　???? 　　　　　　　　　　　????。(3)濾液Ⅰ可循環(huán)使用,應(yīng)當(dāng)將其導(dǎo)入到　　　　????操作中(填操作單元的 名稱)。(4)凈化時(shí)需先加入的試劑X為　　????(填化學(xué)式),再使用氨水調(diào)溶液的 pH,則pH的理論最小值為　　????(當(dāng)溶液中某離子濃度c≤1.0×10-5ml·L-1
時(shí),可認(rèn)為該離子沉淀完全)。(5)碳化過程中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為　　　　　　　　　　　　???? 　　　????。
解析　(1)預(yù)先粉碎軟錳礦,可以增大接觸面積,充分反應(yīng),從而提高反應(yīng)速 率和原料的利用率。從題給流程圖中可以看出,MnO2和BaS溶液反應(yīng)除 生成MnO外,還生成S和Ba(OH)2,根據(jù)得失電子守恒和原子守恒可得反應(yīng) 的化學(xué)方程式為MnO2+BaS+H2O? Ba(OH)2+MnO+S。(2)由題給信息可知MnO2是一種兩性氧化物,故可與Ba(OH)2反應(yīng),Ba(OH)2的量會(huì)減少。 (3)蒸發(fā)結(jié)晶析出Ba(OH)2,過濾后,濾液Ⅰ是飽和的Ba(OH)2溶液,其中含有 Ba(OH)2,為循環(huán)使用,可將其導(dǎo)入到蒸發(fā)操作中。(4)為除盡Fe2+,可加入H2 O2將其氧化為Fe3+。由題表中相關(guān)物質(zhì)的Ksp可知,Fe3+完全沉淀需要的pH 比Al3+完全沉淀所需pH小,溶液pH只需達(dá)到Al3+完全沉淀所需pH即可;設(shè) Al3+恰好完全沉淀時(shí)溶液中OH-濃度為x ml·L-1,則1.0×10-5×x3=1×10-32.3,x=1 0-9.1,pOH=9.1,pH=14-9.1=4.9。(5)碳化過程中生成MnCO3的反應(yīng)為Mn2++
HC?? MnCO3↓+H+,生成的H+再和所加氨水反應(yīng)生成N?,故反應(yīng)的離子方程式為Mn2++HC?+NH3·H2O? MnCO3↓+N?+H2O。
答案　(1)增大接觸面積,充分反應(yīng),提高反應(yīng)速率MnO2+BaS+H2O? Ba(OH)2+MnO+S(2)過量的MnO2消耗了產(chǎn)生的Ba(OH)2(3)蒸發(fā)(4)H2O2　4.9(5)Mn2++HC?+NH3·H2O? MnCO3↓+N?+H2O
例2　錫渣主要成分是SnO,還含有少量Fe、Cu、Sb、Pb、As等元素的氧 化物?？捎孟铝辛鞒讨械姆椒ㄉa(chǎn)錫酸鈉。?已知:①砷酸鋇難溶于水,Ksp[Ba3(AsO4)2]=10-24②水碎液中溶質(zhì)的主要成分為Na2SnO3、Na3AsO4、Na3SbO4、Na2PbO2(1)堿熔就是在錫渣中加NaOH焙燒,SnO轉(zhuǎn)變?yōu)镹a2SnO3,則SnO參加反應(yīng) 的化學(xué)方程式為　　　　　　　　　　　????。(2)除雜1的目的是“除砷和鉛”,加入硫化鈉所發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為 　　　　　　　　　　　　　　????。若要使0.001 ml/L的As?沉淀完
全(一般認(rèn)為離子濃度小于10-6 ml/L時(shí)即沉淀完全),需等體積加入至少 　　　　????ml/L的Ba(OH)2溶液。(3)除雜2中加入Sn粒的目的是　　　　　????。(4)已知Na2SnO3·3H2O可溶于水,難溶于乙醇,加熱至140 ℃時(shí)會(huì)失去結(jié)晶 水,所以最后一步從濾液中得到錫酸鈉晶體的操作步驟為　　　　　???? 　　　　　　　　　　　????、過濾、用　　　????洗滌、　　　　???? ??? ?。(5)水碎渣中的鐵元素主要以氧化物形式存在,回收比較容易,而銅冶煉過 程中的銅渣中也有鐵元素,但主要以硅酸亞鐵的形式存在,回收方法更復(fù) 雜:需先加CaO作置換劑,發(fā)生鈣鐵置換反應(yīng)CaO+FeO·SiO2? CaO·SiO2+FeO,在反應(yīng)過程中,加CaO的同時(shí)還需加入還原劑煙煤,則加入還原劑煙
煤的作用是　　　　　　　　　　　　　　　　　????。
解析　(1)堿熔就是在錫渣中加NaOH焙燒,SnO轉(zhuǎn)變?yōu)镹a2SnO3,在轉(zhuǎn)化過 程中,Sn由+2價(jià)升高到+4價(jià),應(yīng)有氧化劑參與反應(yīng),NaOH不可能作氧化劑, 則必有空氣中的O2參與反應(yīng),由此可寫出SnO參加反應(yīng)的化學(xué)方程式為2 SnO+4NaOH+O2? 2Na2SnO3+2H2O。(2)除雜1的目的是“除砷和鉛”,加入的Na2S與Na2PbO2反應(yīng),生成PbS,由此可寫出發(fā)生反應(yīng)的離子方程式: Pb?+S2-+2H2O? PbS↓+4OH-。若要使0.001 ml/L的As?沉淀完全(一般認(rèn)為離子濃度小于10-6ml/L時(shí)即沉淀完全),加入Ba(OH)2起兩個(gè)作 用,一個(gè)是使As?完全沉淀,由離子方程式:3Ba2++2As?? Ba3(AsO4)2↓,可求出參加反應(yīng)的c(Ba2+)1=?=0.001 5 ml/L;另一個(gè)是溶解在溶液中,使Ba3(AsO4)2達(dá)到沉淀溶解平衡,c(Ba2+)2=[?? ml/L=10-4
ml/L,此為混合溶液中的c(Ba2+),換算為原溶液中的濃度,則為2×10-4 ml/ L;從而得出c(Ba2+)=0.001 5 ml/L+2×10-4 ml/L=0.001 7 ml/L。(3)除雜2 中加入Sn粒的目的是使Na3SbO4轉(zhuǎn)化為沉淀,從溶液中去除。(4)最后一步 從濾液中得到錫酸鈉晶體的操作步驟為在140 ℃以下加熱蒸發(fā)或蒸發(fā)濃 縮、冷卻結(jié)晶、過濾,為減少水洗時(shí)的溶解損失,應(yīng)使用乙醇洗滌,最后再 低溫干燥。(5)在反應(yīng)過程中,加CaO的同時(shí)還需加入還原劑煙煤,作用是 還原FeO,減少生成物,利于平衡正向移動(dòng)。

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